十五凸轮机构 1.教学目标 1)了解凸轮机构的分类及应用; 2)了解推杆常用运动规律的选择原则 3)掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题; 4)能根据选定的凸轮类型和推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线。 教学重点和难点 1)推杆常用运动规律特点及选择原则; 2)盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计 3)凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系 难点:“反转法原理”与压力角的概念。 3.讲授方法:
47 十五 凸轮机构 1．教学目标 1）了解凸轮机构的分类及应用； 2）了解推杆常用运动规律的选择原则； 3）掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题； 4）能根据选定的凸轮类型和推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线。 2．教学重点和难点 1）推杆常用运动规律特点及选择原则； 2）盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计； 3）凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系； 难点：“反转法原理”与压力角的概念。 3．讲授方法：
41凸轮机构的应用及分类 凸轮机构的应用 凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副 机构,其中凸轮是个具有曲线轮廓的构件,通常作连续的等速转动、A④ 摆动或移动从动件在凸轮轮廓的控制下,按预定的运动规律作往复移( 动或摆动 在各种机器中,为了实现各种复杂的运动要求,广泛地使用着凸 轮机构。下面我们先看两个凸轮使用的实例。 图 图4-1所示为以内燃机的配气凸轮机构,凸轮1作等速回转,其 轮廓将迫使推杆2作往复摆动从而使气门3开启和关闭关闭时借助于弹簧4的作用来实现的), 以控制可燃物质进入气缸或废气的排出 如图4-2所示为自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机 构。刀具的一个进给运动循环包括:1)刀具以较快的速度接近工件 2)道具等速前进来切削工件;3)完成切削动作后,刀具快速退回;4) 刀具复位后停留一段时间等待更换工件等动作。然后重复上述运动循 环。这样一个复杂的运动规律是由一个作等速回转运动的圆柱凸轮通 图 过摆动从动件来控制实现的。其运动规律完全取决于凸轮凹槽曲线形状。 由上述例子可以看出,从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的,只要凸轮轮廓设计得 当,就可以使从动件实现任意给定的运动规律
48 4.1 凸轮机构的应用及分类 一．凸轮机构的应用 凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副 机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、 摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移 动或摆动。 在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求，广泛地使用着凸 轮机构。下面我们先看两个凸轮使用的实例。 图 4—1 所示为以内燃机的配气凸轮机构，凸轮 1 作等速回转，其 轮廓将迫使推杆 2 作往复摆动，从而使气门 3 开启和关闭（关闭时借助于弹簧 4 的作用来实现的）， 以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。 如图 4—2 所示为自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机 构。刀具的一个进给运动循环包括：1）刀具以较快的速度接近工件； 2）道具等速前进来切削工件；3）完成切削动作后，刀具快速退回；4） 刀具复位后停留一段时间等待更换工件等动作。然后重复上述运动循 环。这样一个复杂的运动规律是由一个作等速回转运动的圆柱凸轮通 过摆动从动件来控制实现的。其运动规律完全取决于凸轮凹槽曲线形状。 由上述例子可以看出，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的，只要凸轮轮廓设计得 当，就可以使从动件实现任意给定的运动规律。 图 4-1 图 4-2
同时,我们可以看出:凸轮机构的从动件是在凸轮控制下,按预定的运动规律运动的,这 种机构具有结构简单、运动可靠等优点。但是,由于是高副机构,接触应力较大,易于磨损,因 此,多用于小载荷的控制或调节机构中。 凸轮机构的分类 根据凸轮及从动件的形状和运动形式的不同,凸轮机构的分类方法有以下四种 1.按凸轮的形状分类 (1)盘鳽凸轮:如图4-1所示,这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件,当他绕固定轴转 动时,可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。 (2)移动凸轮:如图4-3所示,当盘状凸轮的径向尺寸为无 穷大时,则凸轮相当于作直线移动,称作移动凸轮。当移动凸轮做 直线往复运动时,将推动推杆在同一平面内作上下的往复运动。有 时,也可以将凸轮固定,而使推杆相对于凸轮移动(如仿型车削); (3)圆柱凸轮:婳图4-2所示,这种凸轮是在圆柱端面上作 出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时,可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面 内运动。这种凸轮可以看成是将凸轮卷绕在圆柱上形成的。 由于前两类凸轮运动平面与从动件运动平面平行,故称平面凸轮,后一种我们就称为空间 2.按从动件的形状分类 根据从动件与凸轮接触处结构形式的不同,从动件可分为三类 (1)尖顶从动件:这种从动件结构简单,但尖顶易于磨损(接触应力很高),故只适用于 传力不大的低速凸轮机构中
49 同时，我们可以看出：凸轮机构的从动件是在凸轮控制下，按预定的运动规律运动的，这 种机构具有结构简单、运动可靠等优点。但是，由于是高副机构，接触应力较大，易于磨损，因 此，多用于小载荷的控制或调节机构中。 二．凸轮机构的分类 根据凸轮及从动件的形状和运动形式的不同，凸轮机构的分类方法有以下四种： 1．按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮：如图 4-1 所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当他绕固定轴转 动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。 （2）移动凸轮：如图 4-3 所示，当盘状凸轮的径向尺寸为无 穷大时，则凸轮相当于作直线移动，称作移动凸轮。当移动凸轮做 直线往复运动时，将推动推杆在同一平面内作上下的往复运动。有 时，也可以将凸轮固定，而使推杆相对于凸轮移动（如仿型车削）； （3）圆柱凸轮：如图 4-2 所示，这种凸轮是在圆柱端面上作 出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面 内运动。这种凸轮可以看成是将凸轮卷绕在圆柱上形成的。 由于前两类凸轮运动平面与从动件运动平面平行，故称平面凸轮，后一种我们就称为空间 凸轮。 2．按从动件的形状分类 根据从动件与凸轮接触处结构形式的不同，从动件可分为三类： （1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适用于 传力不大的低速凸轮机构中。 图 4-3
(2)滚子推杆从动件:由于滚 子与凸轮间为滚动摩擦,所以不易磨2E}32张型 损,可以实现较大动力的传递,应用 最为广泛。 (3)平底推杆从动件:这种从 动件与凸轮间的作用力方向不变,受 (h) 力平稳。而且在高速情况下,凸轮与 图44 平底间易形成油膜而减小摩擦与磨 损。其缺点是:不能与具有内凹轮廓的凸轮配对使用;而且,也不能与移动凸轮和囻柱凸轮配对 使用 常见凸轮结构如图4-4所示 3.按推杆的运动形式分类 (1)直动推杆:作往复直线移动的推杆称为直动推杆。若直动推杆的尖顶或滚子中心的轨 迹通过凸轮的轴心,则称为对心直动推杄,否则称为偏置直动推杆;推杆尖顶或滚子中心轨迹与 凸轮轴心间的距离e,称作偏距。(如4-4的a、b、c、d、e) (2)摆动推杆:作往复摆动的推杆成为摆动推杆。(如4-4的f、g、h) 4.按凸轮与推杆保持高副接触的方法(锁合)分类 我们知道,凸轮机构是通过凸轮的转动而带动推杆(从动件)运动的。我们要采用一定的 方式、手段使从动件和凸轮保持始终接触,从动件才能随凸轮转动完成预定的运动规律。常用的 方法有两类 1)力锁合:在这类凸轮机构中,主要利用重力、弹簧力或其它外力 使推杄与凸轮始终保持接触,如前述气门凸轮机构 图45
50 （2）滚子推杆从动件：由于滚 子与凸轮间为滚动摩擦，所以不易磨 损，可以实现较大动力的传递，应用 最为广泛。 （3）平底推杆从动件：这种从 动件与凸轮间的作用力方向不变，受 力平稳。而且在高速情况下，凸轮与 平底间易形成油膜而减小摩擦与磨 损。其缺点是：不能与具有内凹轮廓的凸轮配对使用；而且，也不能与移动凸轮和圆柱凸轮配对 使用。 常见凸轮结构如图 4-4 所示： 3．按推杆的运动形式分类 （1）直动推杆：作往复直线移动的推杆称为直动推杆。若直动推杆的尖顶或滚子中心的轨 迹通过凸轮的轴心，则称为对心直动推杆，否则称为偏置直动推杆；推杆尖顶或滚子中心轨迹与 凸轮轴心间的距离 e，称作偏距。（如 4－4 的 a、b、c、d、e） （2）摆动推杆：作往复摆动的推杆成为摆动推杆。（如 4－4 的 f、g、h） 4．按凸轮与推杆保持高副接触的方法（锁合）分类 我们知道，凸轮机构是通过凸轮的转动而带动推杆（从动件）运动的。我们要采用一定的 方式、手段使从动件和凸轮保持始终接触，从动件才能随凸轮转动完成预定的运动规律。常用的 方法有两类： 1）力锁合：在这类凸轮机构中，主要利用重力、弹簧力或其它外力 使推杆与凸轮始终保持接触，如前述气门凸轮机构。 图 4-4 图 4-5
2)几何锁合:也叫形锁合,在这类凸轮机构中,是依靠凸轮和从动件推杄的特殊几何形状 来保持两者的接触,如图4-5所示。 将不同类型的凸轮和推杄组合起来,我们可以得到各种不同的凸轮机构。 4.2凸轮机构的工作原理和从动件的运动规律 通过上面的介绍已经知道,凸轮机构是由凸轮旋转或平移带动从动件迸行工作的。所以设 计凸轮结构时,首先就是要根据实际工作要求确定从动件的运动规律,然后依据这一运动规律设 计出凸轮轮廓曲线。由于工作要求的多样性和复杂性,要求推杆满足的运动规律也是各种各样的。 在本节中,我们将介绍几种常用的运动规律。为了研究这些运动规律,我们首先介绍一下凸轮机 构的运动情况和有关的名词术语。 凸轮机构的工作原理及有关名词术语 如图4-6所示为一对心直动尖顶推杆盘形凸轮 机构。其中以凸轮最小向径为半径,以凸轮的轴心 O为圆心所作的囻称作凸轮的基圆。下面我们就根据 机构的运动情况定义一些有关的名词和术语。 图示凸轮的轮廓由AB、BC、CD及DA四段曲 线所组成,而且BA和CD两段为原弧,A点为基圆 与凸轮轮廓的切点。如图中所示,当推杆与凸轮轮廓 在A点接触时,推杄尖端处于最低位置(或者说:推杆尖端处于与凸轮轴心O最近的位置)当 凸轮以等角速度φ沿顺时针方向转动时,推杆首先与凸轮廓线的AB段圆弧接触,此时推杄在最 低位置静止不动,凸轮相应的转角φo称作近休止角(也称近休运动角);当凸轮继续转动时,推 杆与凸轮廓线的BC段接触,推杄将由最低位置A被推到最高位置E,推杄的这一行程为推程 凸轮相应的转角φ2称为推程运动角。凸轮再继续转动,当推杆与凸轮廓线的CD段接触时,由
51 2）几何锁合：也叫形锁合，在这类凸轮机构中，是依靠凸轮和从动件推杆的特殊几何形状 来保持两者的接触，如图 4-5 所示。 将不同类型的凸轮和推杆组合起来，我们可以得到各种不同的凸轮机构。 4.2 凸轮机构的工作原理和从动件的运动规律 通过上面的介绍已经知道，凸轮机构是由凸轮旋转或平移带动从动件进行工作的。所以设 计凸轮结构时，首先就是要根据实际工作要求确定从动件的运动规律，然后依据这一运动规律设 计出凸轮轮廓曲线。由于工作要求的多样性和复杂性，要求推杆满足的运动规律也是各种各样的。 在本节中，我们将介绍几种常用的运动规律。为了研究这些运动规律，我们首先介绍一下凸轮机 构的运动情况和有关的名词术语。 一．凸轮机构的工作原理及有关名词术语 如图 4-6 所示为一对心直动尖顶推杆盘形凸轮 机构。其中以凸轮最小向径 b r 为半径，以凸轮的轴心 O 为圆心所作的圆称作凸轮的基圆。下面我们就根据 机构的运动情况定义一些有关的名词和术语。 图示凸轮的轮廓由 AB、BC、CD 及 DA 四段曲 线所组成，而且 BA 和 CD 两段为原弧，A 点为基圆 与凸轮轮廓的切点。如图中所示，当推杆与凸轮轮廓 在 A 点接触时，推杆尖端处于最低位置（或者说：推杆尖端处于与凸轮轴心 O 最近的位置）。当 凸轮以等角速度 沿顺时针方向转动时，推杆首先与凸轮廓线的 AB 段圆弧接触，此时推杆在最 低位置静止不动，凸轮相应的转角 01 称作近休止角（也称近休运动角）；当凸轮继续转动时，推 杆与凸轮廓线的 BC 段接触，推杆将由最低位置 A 被推到最高位置 E，推杆的这一行程为推程， 凸轮相应的转角 02 称为推程运动角。凸轮再继续转动，当推杆与凸轮廓线的 CD 段接触时，由 图 4-6